La plate-forme NI pour l'enseignement de l'électronique : étude de cas

Ce tutorial présente, en détails, la façon dont les enseignants peuvent utiliser un laboratoire intégré pour étoffer leurs cours d’électronique. Nous allons commencer par mettre l’accent sur une méthode traditionnelle d’enseignement des circuits, et nous continuerons en présentant les éléments du laboratoire intégré, ainsi que la façon dont il peut résoudre bon nombre de problèmes rencontrés par les étudiants lors des expériences en laboratoire, servant ainsi de passerelle entre la théorie et la pratique. Via une étude de cas détaillée qui repose sur une expérience réelle dans une université réputée, nous soulignerons d’abord les avantages d’une solution intégrée. Dans de nombreux établissements du monde entier, cela fait de nombreuses années que l’enseignement de l’électronique passe par la même approche. Les étudiants apprennent la théorie en participant à des cours magistraux, et approfondissent ensuite leurs connaissances fondamentales lors de travaux pratiques ou autre expérience complémentaire. L’expérience en laboratoire représente un défi en matière de conception qui exige que les étudiants appliquent la théorie acquise en cours en utilisant des calculs manuels, des simulations, en créant et en mesurant les paramètres (tension, courant etc.) des circuits issus de leurs conceptions, puis en comparant leurs résultats avec des valeurs attendues. Tout ceci est ensuite contenu dans un compte-rendu de TP ou de projet détaillant les expériences de l’étudiant.

Avantages de la solution intégrée

La plate-forme intégrée garantit un transfert permanent des données, de la simulation au prototypage et à la mesure, servant ainsi de passerelle entre la théorie et l'apprentissage pratique. Cette plate-forme permet aux étudiants d'accéder facilement et rapidement aux mesures. Via des instruments dans l'environnement simulé, les étudiants comprennent mieux l'utilité de la simulation, et la façon d'utiliser les résultats recueillis au moment de tester les montages réels.

Un laboratoire intégré offre une plate-forme unique pour la simulation, le prototypage, la mesure et la comparaison. Grâce à une approche cohérente et à la puissance des mesures sur ordinateur, les étudiants peuvent rapidement et facilement comprendre comment développer leurs schémas, effectuer de puissantes simulations et relever les mesures importantes.

Les étudiants passent souvent pas mal de temps à comparer les données mesurées avec les données simulées. Généralement, les mesures prises à partir d'instruments sophistiqués sont transcrites manuellement et saisies sur une feuille de calcul pour analyses ultérieures. Beaucoup de temps est ainsi passé à comparer les résultats plutôt qu'à essayer de comprendre pourquoi les différences existent.

National Instruments, avec NI Electronics Workbench, s'engage à offrir une puissante solution intégrée pour l'enseignement de l'électronique. La plate-forme se compose actuellement de NI Multisim, un logiciel NI Electronics Workbench pour la saisie de schémas et la simulation SPICE, de NI ELVIS pour le prototypage, de LabVIEW et LabVIEW SignalExpress chargés de la mesure et de la comparaison. La Figure n°1 ci-dessous illustre le concept de laboratoire intégré.

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Figure n°1. Vue conceptuelle de la plate-forme intégrée National Instruments

Grâce à la puissance et à la souplesse offertes par NI Multisim, les étudiants profitent des atouts d'un simulateur de circuits simple d'emploi et d'envergure industrielle. NI Multisim inclut de puissants instruments virtuels, qui sont des instruments simulés que l'on retrouve habituellement dans le laboratoire, tels que des oscilloscopes, des multimètres, des générateurs de fonctions, entre autres. Ces instruments offrent aux étudiants une méthode rapide et intuitive pour obtenir des résultats de simulation tout en les préparant à l'usage d'instruments qu'ils utiliseront en laboratoire. La Figure n°2 ci-dessous présente un exemple de capture d'écran de l'environnement NI Multisim.

Figure n°2. Schéma Multisim pour relever des mesures simulées

NI Multisim est riche en fonctionnalités essentielles à l'enseignement comme les composants dynamiques, détruits si leurs valeurs maximales sont dépassées, ainsi que des composants interactifs dont les valeurs peuvent être modifiées en cours de simulation.

Les prototypes expérimentaux sont construits habituellement sur des plaques de montage de type labdec, sans soudure. Les étudiants doivent alors consulter des fiches descriptives et procéder à une inspection visuelle pour vérifier que leurs prototypes fonctionnent correctement. Les instructeurs en laboratoire et les assistants des professeurs passent souvent du temps à corriger de simples erreurs de câblage – ils ont donc besoin d'un outil de prototypage assisté par ordinateur. NI Multisim offre un environnement expérimental virtuel en 3D. Les étudiants apprendront à prototyper avec une plaquette NI ELVIS virtuelle capable de fournir des renseignements sur le fonctionnement du montage avec exactitude. L'environnement virtuel ressemble en tous points à la vraie station de travail NI ELVIS.

La station de travail NI ELVIS intègre (physiquement) plusieurs instruments pour effectuer des mesures et vérifications sur les circuits prototypes. La station de travail est équipée d'une carte de prototypage amovible de type labdec, et se connecte directement au PC pour communiquer et enregistrer les mesures à une interface commune. Les instruments dont un oscilloscope et un analyseur de Bode sont simples à utiliser et fonctionnent exactement comme des instruments sur table traditionnels. La Figure n°3 présente le système NI ELVIS.

Figure n°3. Station de travail NI ELVIS

Les instruments virtuels permettent aussi de relever rapidement des mesures automatisées. Grâce à NI SignalExpress et à LabVIEW, toutes les mesures se retrouvent dans un environnement unique et peuvent facilement être partagées et comparées avec les résultats obtenus lors de la simulation sous NI Multisim, le tout sur un même graphe.

Étude de cas : Conception d'un amplificateur audio

Pour mieux illustrer les avantages du laboratoire intégré, nous présentons une partie d'un TP enseigné à l'Université d'Alberta, au Canada. Nous mènerons l'expérience en laboratoire en utilisant la plate-forme intégrée National Instruments. Nous utilisons NI Multisim pour saisir et simuler nos schémas de circuits de même que pour vérifier les calculs via la simulation SPICE, ainsi que l'environnement de prototypage virtuel 3D NI ELVIS sous Multisim, pour construire et vérifier virtuellement notre circuit. Ensuite, nous construisons le circuit en utilisant des composants réels placés dans la plaquette amovible NI ELVIS, et relèverons des mesures avec NI LabVIEW et LabVIEW SignalExpress. Enfin, nous terminons l'expérience par des comparaisons entre les mesures issues du montage réel et les résultats en simulation.

L'objectif de ce TP est de concevoir (et donc de tester) un amplificateur audio capable de fournir un gain en tension de |150| ±10% à une fréquence de 3 kHz, avec une impédance d'entrée supérieure ou égale à 1 M?. La charge de l'amplificateur se compose d'un transformateur 1200:8 ? vers un haut-parleur de 8 ?. La tension d'alimentation dans ce cas sera de +15 volts DC fournis par la plate-forme multi-instruments NI ELVIS.

La conception prospective est un processus à trois étages des amplificateurs à source commune et des émetteurs communs : Un transistor JFET utilisé dans l'étage d'entrée, pour satisfaire les spécifications en haute impédance, suivi par deux étages d'amplificateurs à transistors bipolaires BJT à émetteur commun pour satisfaire les exigences élevées en matière de gain. Un diagramme capturé sous NI Multisim illustrant la conception est présenté en Figure n°4 ci-dessous. Les condensateurs placés entre les différentes étages offrent une isolation entre les entrées et sorties en petits signaux et les points de repos du circuit. Bien que la figure ci-dessous représente le haut-parleur et le transformateur, nos simulations utiliseront une simple résistance de charge à la place du transformateur et du haut-parleur par souci de simplicité.

Remarque : tous les diagrammes du circuit ont été saisis sous la forme de captures d'écran directement sous NI Multisim en utilisant la fonctionnalité Capture Screen Area, située dans le menu Tools.

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Figure n°4. Diagramme de l'amplificateur

Le gain du système est calculé par la formule :

Vu que le gain en tension de chaque étage dépend de la résistance de charge de cet étage, et vu que la résistance de charge d'un étage est déterminée par les éléments de l'étage suivant, alors, il est préférable de travailler en amont en partant de l'étage de sortie vers l'étage d'entrée afin de déterminer la résistance de charge (RL) de chaque étage. La résistance de charge de l'étage de sortie est connue et égale à 1200 ?. Nous utiliserons deux transistors bipolaires courants BJT NPN 2N4401A pour les deuxième et troisième étages et un transistor à effet de champ JFET 2N4393 pour l'étage d'entrée à cause de son impédance d'entrée élevée. Tout au long de la conception, nous vérifierons les calculs manuels avec NI Multisim, et inclurons les captures d'écran des résultats importants. Nous utilisons aussi NI Multisim pour déterminer, via la simulation, la transconductance des amplificateurs pour nous aider à calculer le gain, et pour déterminer la droite de charge statique qui aidera à polariser les amplificateurs.

Considérations pratiques et simulations

Dans la pratique, nous savons que les tolérances des composants affecteront inévitablement les résultats dans un environnement réel qui seront différents des prévisions. En outre, nous concevons un amplificateur audio, donc ce serait bien d'avoir une méthode pour contrôler le gain (volume) manuellement. Pour à la fois compenser les tolérances des composants, et offrir un contrôle du volume manuel, nous allons inclure une résistance variable (potentiomètre) dans l'un de nos amplificateurs. Nous choisirons de mettre le potentiomètre en parallèle avec la résistance RB1 du deuxième étage parce que cela fournira une bonne gamme de variations du gain, tout en conservant les caractéristiques de fonctionnement du circuit.

Souvent, des valeurs théoriques n'ont pas d'équivalents réels. Ceci étant, les valeurs des composants réels sont choisies le plus proches possible des valeurs calculées.

Amplificateur à transistor BJT, étage n°3

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Pour les troisième et deuxième étages, nous utiliserons le montage d'un l'amplificateur BJT à émetteur commun, illustré ci-dessous en Figure n°5.

Figure n°5. Étage de l'amplificateur BJT à émetteur commun avec résistance de charge

Dans cette configuration, les condensateurs de liaison CIN et COUT offrent une isolation en courant continu entre la source et la charge. RE2 est découplée par un condensateur CE qui crée un court-circuit à des fréquences élevées. RB1 et RB2 forment un diviseur de tension, offrant la tension nécessaire pour polariser en direct la jonction base-émetteur. RC, RE1 et RE2 créent des conditions de polarisation appropriées pour une combinaison idéale du courant alternatif, du gain de tension et de la stabilité des transistors dans la plage active de fonctionnement.

Polarisation

L'un des aspects les plus importants de la conception d'amplificateurs est de polariser les transistors de façon adaptée. Une polarisation adaptée garantit un comportement stable du transistor en mode actif, et un gain véritable sans saturer le transistor ni endommager le signal d'entrée.

Nous mettons en pratique la conception en utilisant la simulation sous NI Multisim pour déterminer les conditions de fonctionnement au repos et les valeurs des composants qui garantiront une stabilité et un gain satisfaisants. À cet effet, nous allons créer une ligne de charge à courant continu pour sélectionner les valeurs des composants. On l'obtient en utilisant un tracé de courbe du transistor.

NI Multisim propose un traceur de courbe virtuel pour rechercher les caractéristiques des transistors. La première étape consiste à connecter le traceur de courbes au transistor 2N4401 utilisé dans ce TP comme illustré ci-dessous en Figure n°6. Les paramètres et les résultats du traceur sont présentés en Figures n°7 et n°8 ci-dessous.

Notez que l'axe des Y de la ligne de charge équivaut à VCC/RC. En construisant le circuit actuel à partir de NI Multisim et des composants réels, nous avons isolé la valeur calculée de RC RE1 et RE2.

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Figure n°8 - Caractéristiques du transistor NPN 2N4401 avec droite de charge statique et point de repos

Dans ce cas-là, le point Q a été choisi pour garantir des conditions de polarisation optimales. Le point Q est suffisamment à droite du graphe pour empêcher la saturation du transistor, mais pourtant suffisamment loin à gauche pour empêcher le blocage de la sortie à 15 V, qui est égal à la valeur maximale de VCC. Pour un circuit à émetteur commun avec aucune résistance d'émetteur à hautes fréquences, la droite de charge statique se trouve à l'intersection des axes des Y à VCC/RC. Dans notre cas, nous avons déterminé la valeur théorique de RC à partir des valeurs réelles de RC, RE1 et RE2.

RE1 offre une protection complémentaire contre des variations de ß et est remplacé par une petite résistance de 20 ?. RE2 garantit que la tension au niveau du collecteur est constamment proche de la valeur moyenne de notre gamme de tension, ce qui assure une tension stable en sortie.

Pour notre troisième étage, en fonction de la droite de charge de la Figure n°8, RC est égal à 600 ? (15V / 25 mA). En divisant cette valeur par 300 pour la RC actuelle de notre circuit, nous choisissons 20 ? pour RE1 et 280 ? pour RE2.

Le point Q choisi nécessite que VCE soit égal à 6,98 V. La tension au niveau du collecteur est fournie par :

Dans l'expression ci-dessus, VB = 4,72 V. Pour correctement polariser la base du transistor, nous déterminons RB1 et RB2 sur le principe du diviseur de tension, et une règle de conception générale :

Nous choisissons RB1 = 6700 ? et RB2 = 3300 ?.

Ayant choisi les valeurs des composants à cet étage, nous utilisons NI Multisim pour mesurer et vérifier nos hypothèses et nos conditions de polarisation. Le courant dans une branche du transistor sous NI Multisim peut se mesurer en plaçant une source DC à 0 V, et en faisant sortir le courant via la source en utilisant l'analyse d'un point de fonctionnement de courant continu. La Figure n°9 ci-dessous présente les valeurs des points de fonctionnement simulés du circuit en DC lorsqu'il est conforme à la description.

 

Figure n°9. Analyse du point de fonctionnement en DC dans l'étage n°3

Impédance d'entrée

L'impédance d'entrée d'un transistor BJT à émetteur commun à des fréquences suffisamment élevées est donnée par :

Où rp correspond à ß0/gm, et ß0 est le gain en courant à basses fréquences. Pour le 2N4401, ce paramètre est fourni dans la fiche descriptive sous la forme hFE. Pour les calculs théoriques ß0 est censé être égale à 150.

La transconductance gm est donnée par IC/VT, où IC est le courant de polarisation du collecteur et VT est la tension thermale, soit approximativement 25 mA à la température ambiante.

Encore une fois, en utilisant la droite de charge statique et le point Q, IC = 13mA, et rp = 281 ?. À partir de l'expression de la résistance d'entrée, et ayant choisi toutes les valeurs des résistances, nous calculons ri comme étant approximativement égale à 1300 ?.


Gain

À des fréquences suffisamment élevées, le condensateur relié à l'émetteur agira comme un interrupteur fermé et fera court-cuircuit avec la masse. Le gain en tension de l'amplificateur est donné par :

Ayant déterminé toutes les valeurs dans l'expression précédente, la valeur de Av pour l'étage de sortie s'élève à -10.9 V/V. La valeur de ce gain est facilement mesurable en simulation sous NI Multisim. En utilisant un oscilloscope virtuel connecté au circuit de test, nous mesurons le gain dans le circuit simulé pour qu'il soit de -10.7, comme présenté dans la Figure n°10. La légère différence entre les deux s'explique par une erreur d'arrondi. Nos calculs manuels donnent une bonne estimation des valeurs réelles, là où la simulation devrait être plus précise.

Figure n°10. Résultats simulés du gain de l'étage n°3

Choix des condensateurs

Le choix des valeurs des condensateurs influence la réponse en fréquence de l'amplificateur. Ils doivent autoriser des fréquences audio avec une gamme comprise entre 80 Hz et 22 kHz. Les valeurs affectent la constante de temps de l'amplificateur.

Les valeurs du capaciteur, utilisées habituellement, (CE = 100 µF et CIN = COUT = 10 µF), offrent les caractéristiques du courant alternatif appropriées.

Le rôle de CIN est d'isoler l'entrée en petits signaux d'entrée des tensions de polarisation. L'objectif de COUT est d'offrir la même isolation entre les différents étages, et entre le dernier étage et la sortie. L'objectif de CE est de découpler la 2ème résistance de l'émetteur, créant un court-circuit entre l'émetteur et la masse aux fréquences plus élevées.

Résumé

Les valeurs de l'étage 3 sont les suivantes :

Tableau n°1. Paramètres de l'amplificateur à transistor BJT de l'étage de sortie

Amplificateur à transistor BJT, étage n°2

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L'amplificateur du deuxième étage utilise le même montage que celui du troisième, avec des valeurs de composants différentes.

Étant donné que ce tutorial détaille une véritable expérience en laboratoire dans un établissement, nous omettons volontairement les détails de l'amplificateur de la deuxième étape, et présentons simplement les valeurs des composants choisis. Les valeurs de l'étage 2 sont les suivantes :

Tableau n°2. Paramètres de l'amplificateur à transistor BJT du second étage

Étape à transistor JFET

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La Figure n°11 ci-dessous représente le schéma de montage de l'amplificateur JFET en source commune.

Figure n°11 – Étage de l'amplificateur à transistor JFET source courante avec résistance de charge

De nouveau, nous omettons volontairement les détails de la conception de cette étape pour préserver le défi de la conception pour les étudiants. Le Tableau n°3 ci-dessous donne les paramètres choisis pour l'étage d'entrée.

Tableau n°3. Paramètres de l'amplificateur à transistor BJT du premier étage

Système dans son ensemble

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Avec chaque étape conçue et simulée, nous connectons les éléments ensemble et procédons, le cas échéant, à des modifications, pour garantir que notre conception fournira les caractéristiques requises. Nous simulons aussi la réponse en courant continu de notre montage.

La Figure n°12 ci-dessous présente le gain du système complet. Le gain s'élève à 149,2 V/V, ce qui représente moins de 0,5% des spécifications attendues du montage qui sont de 150 V/V.

Les Figures n°13 et n°14 ci-dessous illustrent la réponse en fréquence du système complet, soit le gain (dB) et la phase (deg.). La courbe de gain indique un gain constant pour les fréquences audibles entre 80 et 20 kHz.

Figure n°12 - Gain du système


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Figure n°13 - Réponse en fréquence : gain du système (dB)


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Figure n°14 - Phase du système (deg)

L'environnement de prototypage virtuel NI ELVIS facilite la transition vers un prototype dans un environnement réel. En offrant aux étudiants une représentation virtuelle de leur circuit, ils seront en mesure de rapidement comprendre la signification des symboles utilisés en simulation et leur lien avec les composants réels.

NI Multisim offre aussi une vérification des règles de conception des circuits en simulation, informant les étudiants sur les erreurs de câblage, et leur faisant gagner un temps précieux en laboratoire. Une fois placés et câblés sur l'environnement 3D, les éléments et les câbles passeront au vert, couleur d'un montage réussi. Cela peut servir de contre-vérification pour un câblage en laboratoire.

Astuce : pour créer un schéma NI ELVIS virtuel et la plaquette de montage correspondante, choisissez File/New/NI ELVIS Schematic. Vous pouvez facilement copier et coller des circuits existants dans le modèle NI ELVIS.

Les Figures n°15 et n°16 ci-dessous présentent la conception en 3D du montage, et le schéma NI ELVIS correspondant.

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Figure n°15 - Maquette virtuelle NI ELVIS 3D présentant un prototype complet



Figure n°16 - Schéma NI ELVIS présentant une conception complète (les câbles et les composants sont verts)

Prototypage avec NI ELVIS

Nous réalisons le circuit complet en utilisant des composants réels sur la plaquette de montage NI.

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Mesures (relevé de valeurs)

Les faces-avant logicielles de NI ELVIS ou les instruments virtuels sont un excellent moyen de tester rapidement des circuits prototypés.

Les Figures n°17 et n°18 ci-dessous présentent les mesures de gain du circuit utilisant l'oscilloscope NI ELVIS. La voie A (tracé inférieur) dans chaque cas est le stimulus, et la voie B (tracé supérieur) dans chaque cas est la réponse.

Le gain mesuré du système s'élève à 144,39 V/V, ce qui représente 3,74% des 150 V/V ±10 % requis. Le Tableau n°4 ci-dessous compare les valeurs simulées et mesurées.

Tableau n°4 - Comparaison des résultats réels et simulés



Figure n°17 - Gain mesuré de l'étage d'entrée



Figure n°18 - Mesure du gain du système

La Figure n°19 illustre l'analyseur de Bode NI ELVIS, qui sert à mesurer la réponse en fréquence, par exemple, du circuit réalisé.

Figure n°19 –Mesure de la réponse de la fréquence du système

Comparer les résultats de la simulation et les mesures réelles

Pour comparer nos simulations aux résultats mesurés dans un environnement réel, nous avons recours à NI LabVIEW SignalExpress, outil intuitif de mesure pas à pas. NI LabVIEW SignalExpress est un environnement simple et intuitif qui permet aux utilisateurs de configurer facilement les mesures sans programmation. NI LabVIEW SignalExpress permet aussi aux utilisateurs de charger les données de simulation de NI Multisim. Dans la Figure n°20 ci-dessous, nous comparons les gains simulés et mesurés du système dans son ensemble. NI LabVIEW SignalExpress, une fois configuré correctement, peut calculer automatiquement, avec précision, la différence entre les deux signaux en pourcentage.

La puissance de NI LabVIEW SignalExpress réside dans ce cas, dans le fait qu'une fois que les étudiants ont établi leurs mesures, ils peuvent facilement comparer les comportements de leurs conceptions entre eux. Ils peuvent facilement effectuer toute une série de tests sur un circuit donné sans avoir à reconfigurer leurs instruments. Simplement en chargeant le fichier de mesures spécifique dans l'environnement NI LabVIEW SignalExpress, la mesure donnée est prête à être exécutée.

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Figure n°20. Calcul automatique de la différence des résultats en pourcentage

Résumé et conclusions

Tout au long du processus de cette conception, le laboratoire intégré nous aide en proposant une simulation intuitive et des mesures rapides. NI Multisim est un outil performant qui sert à vérifier des calculs théoriques, pour différents montages ou valeurs de composants, et qui offre un certain niveau de fiabilité des circuits avant même le premier prototype. Après avoir conçu un prototype avec NI ELVIS, de puissants instruments virtuels permettent les mesures rapides des caractéristiques des circuits concernés. Grâce à NI LabVIEW SignalExpress, nous sommes en mesure de comparer directement les résultats réels avec les résultats simulés sur le même écran.

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Voir également :
Manuel d'instruction pratique NI Multisim (3 heures)
Démonstrations des caractéristiques de NI Multisim
Visualiser un tutorial interactif sur la plate-forme intégrée pour l'enseignement de l'électronique
Site Web NI sur l'enseignement
Essayez LabVIEW en ligne
En savoir plus sur NI ELVIS
En savoir plus sur NI LabVIEW SignalExpress

Références

Microelectronic Circuits, quatrième édition, Sedra / Smith, © 1998 Oxford University Press

EE Amplifier Design Laboratory, © 1998-2006 University of Alberta, Alberta, Canada

2N4401 NPN General Purpose Amplifier Datasheet, © 2001 Fairchild Semiconductor, http://www.ortodoxism.ro/datasheets/fairchild/2N4401.pdf (juin 2006)

2N4393 Silicon N-Channel Junction Field Effect Transistor, © 2006 Central Semiconductor http://www.ortodoxism.ro/datasheets/linearsystems/2N4391.pdf (juin 2006)

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